第二部分魔方遊戲1(2 / 3)

魔方,幾乎成了80年代的代名詞。它是80年代最搶手的玩具。就如同現在的孩子們手中的遊戲機一樣,成為青少年最喜歡的玩具。然而,隨著改革開放,越來越多的新奇玩具進入了中國,中國的魔方的熱潮也在漸漸消退。但是,什麼事情都不可能是一成不變的。世界在變,魔方也在變。

現在,魔方不僅僅是小孩子的玩具,它更是一種休閑放鬆的方式和體育競技形式,再加上魔方也具有一些刺激和挑戰性的競速、單手、盲擰魔方等玩法,這也使得越來越多的人正在重新關注魔方。

上圖為變種魔方,這類魔方保持了原始魔方的外表,但與此同時,也做出了種種限製,讓愛好者不能順利的按照普通方法來完成複原。這一類型的魔方數量還是挺多的。下麵,我們來簡單介紹一些流行的魔方。

首先就是Square one。Square One又叫做Square1或者SQ1,是由Karel Hrsel和Vojtech Kopsky在1992年共同發明的。它的難度主要在於上下兩個地麵的方塊被切割成了可以轉動30度的小塊,從而可以產生不同於原始方方正正模樣的狀態。一般來說,如果能在SQ1的兩種經典型之間任意轉換,就證明已經掌握了SQ1的複原。

標準的Square One魔方分為三層。頂層和底層都有風箏塊和三角塊,它們也被稱為角塊和邊塊。整個魔方總共有8個角塊和8個邊塊。相對於層的中間來講,角塊為60度,邊塊寬度為30度。

對於非對稱魔方來說,它的最大特點之一就是它不是一個立方體。而是類似於2x4x5這種類型的狀態。

又比如說捆綁魔方。對於這類魔方,也是在保持原有魔方的狀態,但是,做出一一些限製,例如把相鄰的兩個方塊做成一個,這樣就無法使得原來可以移動方法進行複原了。還有一些魔方是連體的,連體魔方是將很多個一般魔方連接起來,因此在這其中有些限製,像是2x2x2x10。

如圖所示,這也是魔方的衍生與變形,特色在於外型不對稱與鏡麵塗布,用方塊的大小不同來代替三階魔方的顏色不同。不論是拿來當桌麵小玩意,又或者是打發時間也是不錯的哦。至於它的貼紙顏色嘛!也有四種,分別是閃亮紅,金色,銀色,黑色。複原方法與三階魔方相同。

如圖所示,這是一個類似於金字塔式的魔方,英文名稱為(Pyraminx),它是一種四麵體魔方。它是由Uwe Meffert發明的,在他自己的魔方網站Mefferts商店進行銷售。有四個外角塊、四個內角塊和六個邊塊。通過旋轉可以改變其顏色排列。軸旋轉塊可以旋轉後而狀態不改變。6個邊塊則可以自由旋轉。而四個頂塊可以獨立於其他塊進行自我旋轉。

上圖為一個五魔方,原名為Megaminx。是一種十二麵體魔方,總共有12個中心片,20個角片和30個邊片,所以總共有50塊可以移動的部分。每個中心都有一種顏色。邊片則有兩種顏色,角片則有三種。每個麵上都有一個中心片,角片邊片各五個。同時也是世界魔方協會承認和指定的比賽項目之一。

5魔方的配色方案

魔方的配色比較有講究。魔方的六個麵每一麵都有一種顏色。一般來說,標準的魔方的顏色應該是藍、白、紅、綠、黃和橙色。其中黃色和白色是相對的、藍綠相對、紅橙相對。也就是我們平常所說的上黃下白、前藍後綠、左橙右紅。試想一下,如果你的前麵是紅色,左邊是藍色,那麼上麵就該是黃色了,而不是白色,這種配色是國際標準配色。而這樣的配色方案則是比較科學的,同進又便於人眼的觀察區分。

但是,這也並不是說魔方隻有一種配色標準。現在所流行的是官方版本,事實上也還有其他版本的配色。例如由香港生產的最初的配色,最早在1980年代就有銷售,現在大多數銷售的和它不同的是將茶色換成了橙色;由美國生產的,配色完全改動,由白對黃,藍對綠,紅對橙;由匈牙利原產的,配色接近於美國產的魔方,另外也還有台灣生產的,配色與美國的差不多,隻是橙色轉為紫色。這些都是魔方不同的配色方案。

除此之外,日本魔方配色方案指的也就是rubik教授最初研發出魔術方塊時的配色,而在傳到日本流行後,rubik公司聽取色彩研究者的意見,將一對相似色係的顏色安排在相對兩邊,而日本則維持原來的配色。

目前為止,世界上除了日本生產的魔術方塊之外,還有官方二階魔方也是日本配色。官方配色方案指的就是,原本方塊並不是以現在俗稱官方配色的貼紙貼法製造的,而是以日本配色製造的,後來官方公司聽取色彩研究者的意見,將相對兩麵的顏色安排為相同色係,正式名稱如下:順時針BOY+Y(順時針BOY加黃),也就是說某相鄰三麵將藍,橘,黃以順時針配置,而相對麵則配置本色混合黃色後的顏色(如紅+黃=橘),成為世界流行的配色。

我們知道,魔方六個麵紙通常由紅、黃、藍、綠、白、橙六種顏色組成。各個時期和地方的版本貼紙方法會有區別,但基本上是前紅、後橙、上黃、下白、左藍、右綠。如果沒有這些限製魔方貼紙一共有多少種貼法呢?答案是30種。因為由於魔方立方體的對稱性,不失一般性的,我們貼紙時不妨就指定藍色為頂麵。他的對麵就有5種貼法,剩下的4個麵組成一個環。這個環的4種顏色去除旋轉後相同的情況有3×2種貼法。這主要是由於對於這個環,我們也可以不失一般性的就指定4種顏色中的一種顏色作為前麵,他的對麵有3種貼法,剩下的兩麵對應2種貼法,所以魔方貼紙的貼法有5×3×2=30種。

6魔方與數學

一塊小小的魔方,它是童年不解的奧秘,它蘊含著思想者的沉思、數學家的邏輯、物理學家的結構,有著宇宙無窮的奇妙,雖隻是規則的方塊,卻包羅萬象。因此,魔方與數學有著千絲萬縷的聯係。

近代數學中有個重要的算法,用maple軟件包計算48次對稱群,S48的一個子群是一個魔方群。魔方是一個由27個小方塊組合成的正方體,每個麵都可以轉動。我們都在玩的魔方中蘊涵著很多的思想。利用對稱群理論,人們能夠事先預測晶體的種類,當然,群論還會出現在意想不到的地方,比如玩魔方。

眾所周知,有很多玩魔方的高手在幾秒鍾就可以把魔方轉好。當問及原因之時,他們都說“快的原因並非是偶然因素造成的,每一個步驟都是經過計算的。”而這個計算方法之一就是關於數學裏的對稱和群的討論。

對稱是一種普遍存在於自然界和人類社會科學和藝術領域的一種十分普遍的現象。因此它在物理學、化學、生命科學中得到廣泛的研究和應用。同樣的在數量關係空間形式的對稱現象也大量存在。群又是現代數學最為重要的概念之一。它的出現是以結構代替了計算,把偏重計算研究思維方式轉變為結構觀念研究的一種方式。群可以徹底解決代數方程的可解性問題。群對數學的其他分支,如對數學分析,幾何學的發展的產成了巨大的影響。

對於魔方來說,它的六麵顏色的轉動,根據計算能夠組成8×37×12×210=43,252,003,274,489,856,000≈4×1019種不同的顏色組合圖案!大約為4000億億種。一個小小的魔方,它的變化卻是千變萬化的,結果也絕對令人匪夷所思。我們來看一下魔方的計算方法,為了便於理解,我們先定義魔方各個方塊的名稱:

角方塊:8個頂角上的方塊,每個方塊隻看到3個麵,有3種不同的顏色。棱方塊:兩個角方塊之間的方塊,整個魔方有12條棱故共有12個棱方塊,每個方塊隻看到2個麵,有2兩種顏色;中心塊:每個麵中央的方塊,它隻露出一麵。

我們再分析一下上麵的計算:81(8個角方塊可能有8個位置)×37(8個角方塊各有3種不同的顏色朝向,注意不是38,因為決定了7個角方塊方向後,第8個角方塊的方向也就固定)×121(12個梭方塊各有12個可能的位置,但11個梭方塊也決定第12塊的位置,故應為121×1/2)×210(12個梭方塊各有2個不同顏色朝向,同樣11個梭方塊的方向也決定了第12個梭方塊的方向,故為211)。

那麼,這樣算來,魔方究竟有多少種可以達到的狀態呢?答案是43252003274489856000大約4000億億。這樣計算的方法是:8個角方塊排列在8個位置,12個棱方塊排列在12個位置,共有81×121種。又每個棱方塊有2個朝向,每個角方塊有3個朝向,共3^8×2^12種。因此魔方的狀態數是81×121×3^8×2^12=519024039293878272000種,51902億億以上。

但是,在20個方塊當中,又會有18個位置是確定的,另外2個位置也就被確定下來了。所以說,又要去掉因子21。在8個角方塊中,7個朝向確定,第8個朝向也就確定了;在12個棱方塊中,11個朝向確定,第12個朝向也就確定了。這樣要再去掉3×2因子,實際是上麵數的1/12,即總數81×121×3^7×2^11/2=43252003274489856000。

當然了,我們還可以從另外一個角度考慮上麵的除數12,假如說我們確定了6種顏色,每種顏色塗在魔方的1個表麵上的9個小方塊上。然後我們拆開魔方,打亂了重新拚裝起來,那麼並不是所得到的每個魔方都能複原為初始狀態。具體說,有519024039293878272000種拚法,可以分為12類,每類43252003274489856000種。同類裏任何兩個狀態可以相互轉換,而不同種類間不能轉換。

7魔方與上帝之數

研究魔方的人多了,就會出現關於魔方速度的提升,隨之而來的比賽必定少不了。從1981年開始,魔方愛好者們開始舉辦世界性的魔方大賽,從而開始締造自己的世界紀錄。這一紀錄被不斷地刷新著。最令人吃驚的成績僅為708秒。

然而,這樣的成績卻有著一定的偶然性,為了減少這種偶然性,從2003年開始,魔方大賽的冠軍改由多次複原的平均成績來決定。目前這一平均成績的世界紀錄為1128秒。這些記錄的出現,表明魔方雖有天文數字般的顏色組合,但隻要掌握竅門,將任何一種組合複原所需的轉動次數卻並不多。

值得大家思考的問題是,究竟需要多少次的轉動,才能保證無論什麼樣的顏色組合都能夠被複原呢?這個問題引起了很多人,尤其是數學家的興趣。這個複原任意組合所需的最少轉動次數被數學家們戲稱為“上帝之數”(God’s number),而魔方這個玩具世界的寵兒則由於這個“上帝之數”一舉侵入了學術界。